膝关节在日常活动中是重要的承重和运动关节,结构复杂,运动量大,其损伤病变处于关节首位。人工膝关节置换手术(TKA)作为治疗膝关节骨性关节炎,损伤等病症,恢复关节功能的重要手段,术后患者满意程度也较高,但每年仍然有患者术后出现不同程度的功能性失败,需要进行二次翻修。膝关节股骨假体植入后由于材料属性与自然骨组织的差别造成应力遮挡,骨的自适应性会引发假体周围骨量异常,进而增加假体无菌松动和患者术后疼痛的现象发生。现接受人工膝关节置换的患者逐年增多,且患者也越来越低龄化,而膝关节置换通常寿命在10-15年,所以需要对膝关节股骨假体材料设计与优化,延长膝关节置换寿命。本文的主要目的是,对股骨假体组件材料使用功能梯度生物材料(FGBM)重新设计,设计了Ti基胶原-羟基磷灰石(FGBM I)和Ti基-生物活性玻璃(FGBM II)两种功能梯度生物材料,建立膝关节置换有限元模型,使用静态模拟分析和动态模拟分析两种方法,以股骨远端应力和胫-股假体组件间的接触应力为观察指标,来评估不同股骨假体材料(Co Cr合金、Ti合金和两种FGBM)对膝关节置换性能影响,以寻找适合人体且使用寿命更长的膝关节假体替换材料。研究工作内容如下:本文首先基于膝关节正常志愿者的CT数据,构建了膝关节股骨、髌骨、胫骨、腓骨骨组织和关节软骨、半月板软组织以及主要韧带结构,建立了自然膝关节几何模型。根据经典机械力学对线,调整下肢膝关节力学轴线。依据MA-TKA手术规范要求,进行对模型虚拟截骨,随后对各部件进行网格划分和赋予材料属性,建立人工膝关节置换术后有限元模型。选取股骨远端,胫骨近端和膝关节假体组件以简化模型,使用静态模拟仿真的方法评估不同材料下膝关节股骨远端、股骨-假体界面处和胫骨衬垫上的力学响应。仿真结果表明,两种功能梯度生物材料与现常使用的材料相比,能够提高股骨远端应力和股骨-假体界面处的应力,减少宿主股骨的应力遮挡情况,同时降低胫骨衬垫上的接触应力,FGBM I的效果最显著。FGBM II降低股骨应力遮挡的效果不明显,除能在种植体界面处产生较大的应力外,股骨远端的应力表现在部分路径中表现与Ti合金相差不大。随着k值的减小,功能梯度生物材料在胫骨衬垫上产生的接触应力也随之减少。而FGBM在k=1时在股骨-假体种植体界面附近表现出高应力,进而得到了适合膝关节股骨假体的最优梯度和组分。对建立的膝关节置换术后动态有限元模型,施加步态载荷进行动态模拟仿真。研究结果表明,不同股骨假体材料对膝关节假体组件间的接触压力会产生影响。与Co Cr合金相比,Ti合金和FGBM I(k=1)材料均能一定程度降低胫-股假体组件间的接触压力,FGBM I(k=1)的效果最明显。FGBM I(k=1)材料本身多材料属性,能更好的实现胫-股关节之间力的传递,进而接触应力云图分布发生了改变,胫-股关节之间的接触面积和位置没有变化。本文研究表明HAP-Ti功能梯度生物材料可以降低膝关节无菌松动的风险,延长假体使用寿命,可作为膝关节股骨假体潜在的替换材料。